Untersuchungen der Standsicherheit von Tunneln in söhlig gelagertem Gebirge mittels UDEC und FLAC

Abstract

Die vorliegende Masterarbeit hat das Ziel, die Unterschiede zwischen dem zweidimensionalen, diskontinuumsmechanischen Rechenprogramm UDEC, dem kontinuumsmechanischen Rechenprogramm FLAC, sowie FLAC3D, mit dem kontinuumsmechanische, dreidimensionale Berechnungen durchgeführt werden, aufzuzeigen. Dafür wird ein zweispuriger Tunnel in einem horizontal geschichtetem Gebirge simuliert. Mittels Parameterstudien wird der Einfluss einzelner Kennwerte auf das Tunnelverhalten und die Standsicherheit untersucht. Gemäß den zweidimensionalen Berechnungen mittels UDEC ist der Ausbruch für die Ausgangsparameter stabil. Auch bei Reduktion der Kluftsteifigkeiten kann kein Anstieg der Firstverschiebungen und damit kein Versagen beobachtet werden. In FLAC sind die unter der Annahme der Ausgangsparameter erhaltenen Verschiebungen größer als die mittels UDEC berechneten, der Ausbruch ist aber ebenfalls stabil. Wird der Reibungswinkel der Klüfte oder des Gesteins herabgesetzt, kommt es zu einer kontinuierlichen Zunahme der Firstverschiebungen und der Hohlraum ist ohne ausreichende Sicherungsmaßnahmen nicht mehr standfest. Aus den dreidimensionalen Berechnungen mit FLAC3D wird deutlich, dass die Standsicherheit ohne Ausbau von der Abschlagslänge abhängig ist. Für die Ausgangsparameter nehmen die Verschiebungen in der Firste ab einer Abschlagsänge von drei Metern kontinuierlich bis zum Versagen zu. Bei einem und zwei Metern kommt es nach einer geringen Verschiebung von einigen Millimetern zu einem Gleichgewichtszustand. Auch eine Verringerung der Reibungswinkel der Klüfte und des Gesteins führt für eine Abschlagslänge von einem Meter nicht zum Versagen. Bei einer Erhöhung des Kluftreibungswinkels ist auch bei einer Ausbruchslänge von fünf Metern der Ausbruch ohne weitere Sicherung stabil. Um den Einfluss von eventuell vorhandenen Verformungen vor Einbringung eines Ausbaus zu berücksichtigen, wurde in einer weiteren Berechnung zuerst ein kurzer Tunnelabschnitt ausgebrochen, eine Verformung von fünf Zentimetern zugelassen und erst dann ein Ausbau eingebracht. Danach wurde weiter ausgebrochen und dieses ungestützt belassene Teilstück beobachtet. Hier können größere Spannungen und ein größerer Auflockerungsbereich in der Tunnelumgebung festgestellt werden, auf die Firstverformungen und die Standsicherheit des ungestützten Ausbruches hat dies allerdings nur unwesentliche Auswirkungen.

The aim of this work is the stability analysis of a tunnel with the two-dimensional distinct element method for discontinuum modeling UDEC, the explicit finite difference program FLAC and the three-dimensional explicit finite-difference program FLAC3D. As a substantial example a shallow situated tunnel in horizontal layered rock is calculated and the results are analyzed. By variations of the material parameters such as young modulus, joint stiffness or friction angle of the joints and solid rock, the behavior of the rock is studied. During the calculation process displacements and the stress distribution at the crown and the side walls are recorded. The monitored displacements and stresses are being compared and followed by the attempt to clarify the advantages and disadvantages of UDEC and FLAC to give an idea which program defines the existent complexity more realistically. In the calculations UDEC puts out displacements in the millimeter range and a stable cavity. Also for a reduction of the joint stiffness is no increase of the vertical displacements in the roof detectable. The calculation in FLAC produces a stable cavity as well, but the displacements are higher than the ones in UDEC. When the friction angle of the joints or the solid rock is decreased, the tunnel fails because of the increasingly vertical displacement in the roof. In the three dimensional calculations of FLAC3D one can see the influence of the depth of advance. Up to two meters the cavity is stable, also for a reduction of the friction angle of the joints and solid rock. For a depth of advance of five meters an increase of the friction angle of the joints leads to a stable cavity without any other safety precautions. To simulate predeformations before installing the support a short tunnel intercept is excavated and after a deformation of five centimeters fixed. Then the next few meters are excavated and the behavior of this unsupported region is recorded. In totally, this has no influence to the deformations and stresses.